Работа 5. Испытания гидропривода поступательного движения с дроссельным регулированием

Дроссельное регулирование осуществляют изменением гидравлического сопротивления гидросети дросселем, в результате чего только часть жидкости, подаваемой насосом, поступает к гидродвигателю.

Этот способ регулирования позволяет иметь простые нерегулируемые насос и гидродвигатель, однако он неэкономичен, поскольку имеет низкий КПД (0,3…0,4) и, кроме того, создаёт трудности при отводе значительного количества тепла, вы­деляющегося при дросселировании. Дроссельное регулирование применяют при небольших мощностях, при крат­ковременном режиме работы, или когда другой способ регулирования практически невозможен. Например, если в гидроприводе один насос или несколько параллельно работающих гидродвига­телей с различными нагрузками.

Дроссельный способ регулирования может быть:

а) с постоян­ным давлением насоса (независимо от нагрузки), равным давлению настройки переливного клапана р_н = р_н∙к = const;

б) с перемен­ным давлением насоса (зависящим от нагрузки).

В первом случае дроссель устанавливают последовательно гидродвигателю (на входе или на выходе из него); во втором – параллельно ему.

При рассмотрении дроссельного регулирования примем потери напора по длине и местные (за исключением потерь в дросселе), равными нулю.

Гидроприводы с дроссельным регулированием обычно являют­ся гидроприводами с разомкнутой циркуляцией жидкости.

В состав гидропривода с дроссельным регулированием, кроме гидропередачи (нерегулируемые насос и гидродвигатель, гидроли­нии) входят: предохранительный (переливной) клапан, дрос­сель, регулятор потока, распределитель и т.д., которые являются специфическими элементами, влияющими на характеристики гид­ропривода. Для лучшего уяснения их роли рассмотрим их работу и свойства.

Клапан – устройство, в котором величина открытия проходно­го сечения изменяется под воздействием проходящего через него по­тока рабочей жидкости. У клапана прямого действия величина от­крытия проходного сечения изменяется в результате непосредственного воздействия потока рабочей жидкости на клапан, а у клапана непрямого действия – в результате воздействия потока рабочей жидкости на вспомогательный клапан.

Предохранительный клапан применяют для защиты гидро­привода от превышения давления над установленным. Включается он в напорную гидролинию и находится в закрытом положении; в случае превышения установленного давления клапан открывается для слива части жидкости, а при восстановлении давления – зак­рывается. Принципиальная схема предохранительного клапана прямого действия шарикового типа показана на рис. 20 а, а его условное изображение – на рис. 20 в. Шариковый клапан обес­печивает надёжную работу до давления 5 МПа, для более вы­соких давлений применяют ко­нусные или плунжерные клапаны, которые обладают лучшими уп­лотняющими свойствами. На рис. 20 б приведена характеристика клапана – зависимость расхода через клапан Q _кл от давления, т.е. Q _кл= f (р). Из характери­стики следует, что при увели­чении расхода через клапан давление за ним увеличивает­ся за счёт поджатия пружины, необходимого для пропуска большего количества жидкости.

Рис. 20. Схемы клапанов и их характеристики.

Клапан непрямого действия (рис. 20 г) состоит из двух клапанов – основного 3 и вспомогательного 8. В закры­том состоянии плунжер 7 гид­равлически уравновешен и опу­щен вниз силой пружины 2. Вспомогательный клапан 8 на­страивается на открытие при: заданном давлении Р н∙к и про­пускает малый расход q. По­скольку в дросселе 4 теряется часть давления, за клапаном оно становится ниже, что и заставляет основной клапан подняться и пропустить жид­кость. Можно подобрать раз­меры дросселя и вспомогатель­ного клапана так, что обеспечится практически постоянное давление за клапаном (рис. 20 д).

Рис. 21. Клапан непрямого действия

На рис. 21 приведён клапан непрямого действия типа Г52‑1 (клапан предохранительный с переливным золотником), который состоит из основного клапана 5 с пружиной 4 и вспомогательного 2 с пружиной 1, настроенной на необходимое давление р _нк. В ка­честве дросселя служит отверстие В. Принцип действия клапана аналогичен принципу для схемы на рис. 20 г.

Наличие предохранительного клапана в напорной гидролинии ломает (изменяет) напорную характеристику объёмного насоса (см. рис. 7).

Переливной клапан предназначен для поддержания заданного давления путём непрерывного слива части рабочей жидкости во время работы.

Редукционный клапан предназначен для поддержания давления в отводимом от него потоке рабочей жидкости более низкого, чем давление в подводимом пото­ке. На рис. 2.22 приведены схе­ма и условное обозначение ре­дукционного клапана.

Рис. 22. Схема редукционного клапана.

Рабочим элементом клапана служит плун­жер 3 с дросселирующей голов­кой 5 и поршеньком 2, помещён­ным в корпусе1. Плунжер поддействием пружины 7 постоянно удерживается в открытом положении, обеспечивая движение жид­кости из полости 4 с давлением р _н в полость 6 с давлением p _ред < p _н. Клапан будет закрыт, если сила пружины F _пр будет меньше силы давления p _ред ∙ f _п, т.е. F _пр > p _ред ∙ f _п. открыт, если F _пр > p _ред ∙ f _п.

Дроссель – это регулирую­щее устройство, предназна­ченное для ограничения подачи жидкости к исполни­тельному органу (гидроци­линдру, гидромотору) с целью регулирования скоро­сти его движения.

Дроссели бывают с линей­ной и нелинейной характери­стиками расхода. В линей­ных дросселях потери давле­ния пропорциональны расхо­ду в 1‑й степени, а в не­линейных – во 2‑й.

Рис. 23. Схемы дросселей.

На рис. 23 а … г показаны дроссели: линейный (рис. 23 а), нелинейные (рис. 65 б, в, г). Расход через дроссель Q _др определяется по формуле:

, (44)

где μ_др ‑ коэффициент расхода дросселя (0,6…0,7);

f _др ‑ площадь проходного сечения дросселя;

Δ p _др ‑ перепад давления на дроссе­ле;

ρ ‑ плотность жидкости.

Из выражения (44) видно, что расход жидкости через дрос­сель зависит от перепада давления Δ p _др и, поскольку в процессе работы величина Δ p _др изменяется с изменением нагрузки на исполнительном органе, изменяется и расход жидкости. Следовательно, дроссель не обеспечивает постоянства расхода.

Регулятор потока – это регулирующее устройство, предназна­ченное для поддержания заданной величины расхода вне зависимо­сти от величины перепада давлений в подводимом и отводимом потоках рабочей жидкости (рис. 24). Регулятор потока состоит из дросселя 2 и редукционного клапана 1, помещённых в одном корпусе. Необходимый расход обеспечен дросселем, а посто­янство перепада давления Δ p _др – редукционным клапаном.

Рис. 24 Регулятор потока

Распределитель – это устройство, предназначенное для направ­ления потока рабочей жидкости в ту или иную гидролинию с целью изменения направления движения исполнительного органа.

По чи­слу фиксированных позиций рабочего органа различают двух-, трех-, и многопозиционные, а по числу внешних линий – двух-, трех-, четы­рех- и многолинейные распределители.

При изображении распределителей на схемах число позиций изображается квадратами; каналы – линиями со стрелками, пока­зывающими направление потоков в каждой позиции; места соеди­нений отмечены точкой, а перекрытие канала – знаком «Т». На рис. 25 а, б, в, г даны условные изображения: 4‑линейного 3‑позиционного распределителя, а – исходная позиция; б – в ле­вой рабочей позиции; в – в правой рабочей позиции; г – распре­делителя непрерывного действия (дросселирующего распредели­теля).

Рис. 25. Схемы распределителей.

По конструктивному исполнению распределители делятся на золотниковые, крановые и клапанные. Наибольшее распространение получили цилиндрические золотниковые распределители, схема работы одного из них (четырехлинейного трех­позиционного) приведена на рис. 25 е. Рабочий элемент – ци­линдрический золотник 1 с кольцевыми выточками, перемещающийся в кор­пусе 2. Золотник смеща­ется с исходной позиции в правую рабочую позицию на величину щели X; при этом жидкость поступает в штоковую полость гидроцилиндра 7 по каналам 4 и 8 и вытесняется из поршневой полости по каналам 6 и 5. При перемещении золотни­ка в левую рабочую позицию жидкость в цилиндр поступает по каналам 4 и 6 и вытесняться из него по каналам 8 и 3.

Управление распределителем: ручное, электриче­ское, гидравлическое и электрогидравлическое. На рис. 26 – конструкция золотникового распределителя с ручным управ­лением.

Рис. 26. Золотниковый распределитель с ручным управлением.

Расход жидкости Q _др через золотниковый дросселирующий рас­пределитель (см. рис. 25 г) можно определить по формуле:

, (45)

где μ_др ‑ коэффициент расхода дросселирующего распределителя;

Х ‑ величина открытия щели;

Δ p _др ‑ перепад давлений на распре­делителе;

D ‑ диаметр золотника.

Золотниковые распределители просты в изготовлении, надёж­ны в работе, легко управляемы. Однако в процессе эксплуатации происходит износ поверхности трущейся пары (золотник ‑ корпус), что приводит к увеличению утечек. Клапанные распределители имеют значительно бỏльшую герметич­ность.

Гидропривод поступательного движения с постоянным давлением насоса (с дросселем на входе в гидроцилиндр) – рис. 27 а, включает в себя: нерегулируемый насос 1, гидроцилиндр 6, гидро­линию 4, систему управления, состоящую из распределителя 5, ре­гулируемого дросселя 3, предохранительных клапанов 2 и 8, а так­же фильтр 7 и гидробак 9. Такой гидропривод применяют, когда направление действия нагрузки не совпадает с направлением дви­жения выходного звена (в днном случае штока). Среднюю скорость штока (поршня) v определяют по формуле:

, (46)

где Q _др ‑ расход через дроссель, равный расходу гидроцилиндра;

p _нк ‑ давление настройки предохранительного (переливного) кла­пана;

р ‑ нагрузка на шток гидроцилиндра;

F _n ‑ площадь поршня;

u _др = f _др/ f _др.mах -параметр дросселирования. Здесь f _др, f _др.max ‑ площа­ди проходного сечения дросселя (текущая и максимальная);

; (47)

.

Если гидропривод вращательного движения, вместо средней скорости v определяют частоту вращения гидромотора n_м по формуле:

, (48)

где q _м ‑ рабочий объём гидромотора;

Δ p _др = р _н∙к (M / k _м), М ‑ момент на гидромоторе;

k _м = 1/2π ∙ q _м - коэффициент момента.

Рис. 27. Схемы гидропривода с дроссельным регулированием.

Гидропривод поступательного движения с постоянным давле­нием насоса (с дросселем на выходе из гидроцилиндра) допускает регулирование скорости гидродвигателя при знакопеременной на­грузке, т.к. при любом направлении действия силы Р изменению скорости препятствует сопротивление дросселя, через который ра­бочая жидкость поступает из штоковой полости на слив.

Скорость штока в этом случае определяется по формуле (46), где Δ р _др = р _ш∙n – р _сл (здесь р _сл ‑ давление в сливной гидролинии). Давление в штоковой полости р _ш.n. определяется из условия равновесия поршня

р _н∙к ∙ F _n = Р + р _ш∙n ∙ F _ш∙n и равно Р _ш∙n = p _н.к F _n – P / F _ш.n (при р _сл = 0).

В случае двухштокового гидроцилиндра ∆ р _др опре­деляется по формуле (47). В случае применения дросселирующего распределителя (рис. 67 г) скорость штока определяется по выражению:

(49)

где f _{др max} = π DX _max; u _др = X/X _max; D, X, Х _mах ‑ диаметр, ход и максимальный ход плунжера дросселирующего распределителя.

Дросселирующий распределитель можно рассматривать как 2 дросселя, установленные на входе и выходе. Зависимость от на­грузки в этом случае меньше, чем в рассмотренных выше случаях.

Мощность N, потребляемая насосом, во всех рассмотренных случаях постоянна и не зависит от нагрузки, поскольку давление и подача насоса остаются постоянными (р _н = p _н._к = соnst; Q = const).

В случае гидропривода поступательного движения с перемен­ным давлением насоса (при параллельном включении дросселя, рис. 27 в), рабочая жидкость, подаваемая насосом, распределя­ется на два потока. Один поток проходит к гидродвигателю 6, дру­гой – через дроссель 3 на слив. При этом скорость штока равна:

(50)

где Q ‑ подача насоса.

Если гидропривод вращательного движения, вместо V опреде­ляют частоту вращения гидромотора по формуле:

(52)

Для рассматриваемого случая мощность, потребляемая насо­сом, уже зависит от нагрузки гидродвигателя, поэтому способ дрос­сельного регулирования с переменным давлением насоса более экономичный, чем с постоянным давлением, однако применять его можно только при несовпадении направлений действия нагрузки и движения выходного звена.

Все рассмотренные случаи дроссельного регулирования не обеспечивают постоянства скорости выходного звена гидропривода при изменении нагрузки, поэтому применяются только в гидропри­водах при мало изменяющейся нагрузке.

Для обеспечения постоянства скорости (независимо от нагруз­ки) применяют регулятор потока (рис. 27, б), состоящий из регулируемого дросселя 3 и редукционного клапана 7. Необходимый расход обеспечивает дроссель, а его постоянство – редукцион­ным клапаном, поддерживающим неизменный перепад давления на дросселе (Δ р _др = соnst).

Основное достоинство дроссельного регулирования – простота конструкции и надёжность в работе.

Основным недостат­ком – низкий КПД, обусловленный самим принципом дроссельного регулирования.

Характеристиками гидропривода поступательного движения с дроссельным регулированием называют зависимости скорости вы­ходного звена, КПД и мощности гидропривода от приложенной к нему нагрузки, т.е. зависимости: v = f (P); η = f (P); N = f (P) или n _м = f (M); η = f (M); N = f (M) при постоянном расходе. На рис. 28, а, б приведены типичные формы кривых v = f (P) или n _м f (M) для гидропривода с дроссельным регулированием при пос­тоянном (а) и переменном (б) давлении насоса. Эти кривые на­зывают механическими характеристиками гидропривода.

а

б

Рис. 28. Механические характеристики гидропривода.

Цель работы:

1. Изучить принцип действия и работу гидропривода поступательного движения с дроссельным регулированием.

2. Освоить методику испытания гидропривода.

3. Получить характеристики гидропривода поступательного движе­ния с дроссельным регулированием при постоянном и переменном давлении насоса.

Описание установки. Установка (рис. 29) содержит гидро­привод поступательного движения с дроссельным регулированием, устройство для создания нагрузки и контрольно-измерительную аппаратуру.

Рис. 29. Гидропривод поступательного движения с разомкнутой цирку­ляцией жидкости.

Он состоит из насоса 11, который может быть регулируемым и нерегулируемым, гидроцилиндра 1, всасывающей 15, напорной 8 и сливной 23 гидролиний, предохранительного (пере­ливного) клапана 20, 3‑позиционного распределителя золотни­кового типа с ручным управлением 6, дросселей: 4 (Др. 1), 5 (Др. 2), 22 (Др. 3), фильтра 21, охладителя 19 и бака 16.

Устройство для создания нагрузки 29, которое содержит гидроцилиндр нагрузки 28, дроссель 25 (Др. Н), обратный клапан 26 и гидролинию 18.

Контрольно-измерительная аппаратура: расходомер 24 (для замера подачи); манометры 10 и 9 (для измерения давления на вхо­де р _вх и выходе р _вых из насоса 11); манометры 2 и 36 (для изме­рения давления на входе р _ц и выходе р из гидроцилиндра 1); манометры 3 и 2 (для измерения перепада давления на дросселе Др. 1); манометр 27 (для измерения давления нагрузки р _наг в гидро­цилиндре 28); устройство 33, состоящее из включателя секундо­мера 31, секундомера 32, рычага 34 для приведения в действие включателя (для измерения скорости движения поршня 37 гидро­цилиндра 1); балансирный электродвигатель 12 с рычагом 14, весы и тахометр 13 (для измерения мощности насоса); устройство 7 (для измерения перемещений плунжера 6 распределителя); тер­мометр 17 для измерения температуры рабочей жидкости.

Работа установки.

1. Постоянное давление насоса р _н = р _н∙к незави­симо от нагрузки. Дроссели Др. 1 и Др. 2 установлены последова­тельно гидроцилиндру, причём Др. 1 расположен на входе в гидро­цилиндр.

А. Дроссель Др.2 открыт максимально, дроссель Др.3 закрыт.

Работа установки зависит от положения 3‑позиционного рас­пределителя 6. Если распределитель находится в исходной пози­ции, как показано на рис. 25, а, то при включенном насосе жид­кость поступает через предохранительный клапан на слив. Давление насоса р _н равно давлению настройки предохранительно­го клапана р _н = р _н∙к; подача насоса – максимальная.

При смещении распределителя в левую рабочую позицию (рис. 25, б) и частичном открытии дросселя Др.1 (u _др > 0) жидкость по напорной линии 8 (через распределитель 6 и дроссель Др.1) поступает в гидроцилиндр 1 и перемещает поршень 37 влево. Из штоковой полости жидкость вытесняется в сливную гидролинию 23 через открытый дроссель Др.2, распределитель 6, расходомер 24, фильтр 21, охладитель 19 и бак 16.

Перемещение поршня 37 влево вызывает перемещение штока 35 и связанного с ним штока 30 и поршня 28 нагрузочного гидроцилиндра, который вытесняет жидкость, находящуюся в поршне­вой полости. Изменением сопротивления дросселя нагрузки Др. Н можно изменять давление на нём, а следовательно, и нагрузку на поршень нагрузочного цилиндра 28 P _наг = p _наг ∙ F _наг, где р _наг ‑ давление нагрузки, показываемое манометром 27.

Для возвращения поршня 37 в исходное положение распредитель следует сместить в правую рабочую позицию (рис. 67, в). Жидкость от насоса по напорной гидролинии поступит к распре­делителю 6, затем через дроссель Др.2 – в штоковую полость гид­роцилиндра и перемещает поршень вправо, который вытесняет жид­кость из поршневой полости через дроссель Др.1, распределитель 6, расходомер 24, фильтр и охладитель в бак. При этом поршень 28 на­грузочного гидроцилиндра перемещается вправо, вытеснив жид­кость из штоковой полости в гидросеть, через обратный клапан 26 в поршневую полость. Недостающий объём жидкости в поршне­вой полости компенсируется поступлением её из бака под атмос­ферным давлением.

Б. Дроссель Др.1 открыт максимально, а дроссель Др.3 закрыт.

Работа установки аналогична предыдущей.

2. Переменное давление насоса р _н = р _д ≠ соnst, зависит от на­грузки. Дроссель Др. 3 установлен параллельно гидроцилиндру 1 (дроссели Др.1 и Др.2 открыты максимально).

В этом случае жидкость после насоса разделяется на 2 пото­ка. Один поток через распределитель поступает в гидроцилиндр 1 (полностью, если дроссель Др.3 закрыт, u _др = 0 или, что то же, Q _др = 0 или частично (Q – Q _др), Другой поток (Q _др) через дроссель Др.3 и охладитель идёт на слив, не выполнив никакой работы.

Работа устройства 33 для замера скорости движения поршня заключается в следующем. Перемещаясь влево вместе со штоком 35, рычаг с роликом 34 набегает на планку включателя 31 и вклю­чает секундомер 32, а после схода ролика с планки – выключает его. За это время Т поршень пройдёт путь 1, который заранее из­вестен.

Порядок выполнения работы:

Для получения характеристик гидро­привода необходимо:

1. Подготовить установку к работе, для чего установить: дрос­сель Др.1 последовательно или параллельно гидроцилиндру, распре­делитель в исходную (нейтральную) позицию и максимальную площадь проходного сечения нагрузочного дросселя Др.Н.

2. Включить установку и обеспечить температурный режим.

3. Установить заданное положение дросселя U _др.

4. Поставить секундомер в исходное положение, а нагрузочный дроссель Др. Н – в положение, обеспечивающее нагрузку.

5. Установить распределитель в рабочую позицию, обеспечиваю­щую поступление жидкости в поршневую полость.

6. Снять показания: манометра 27 ‑ р _наг; секундомера 32 ‑ Т; весов 14 ‑ G; тахометра 13 ‑ n _н; термометра 17 ‑ t ºC. Полученные дан­ные записать в табл. 8.

7. Перевести распределитель в позицию, обеспечивающую возвра­щение поршня в исходное для работы положение.

8. Не изменяя положения дросселя Др. (α = const), выполнить ещё шесть ‑ восемь опытов, изменяя в каждом нагрузку гидроцилиндра ступенями до максимального значения.

9. При необходимости получить характеристики при других зна­чениях α и повторить опыты, как указано в пунктах 3…8.

10. Выключить установку.

11. Вычислить следующие параметры, необходимые для построе­ния характеристики гидропривода:

параметр регулирования (53)

где α, α_mах ‑ текущее и максимальное значения деления на шка­ле дросселя;

нагрузку на гидроцилиндр (54)

где р _наг ‑ давление нагрузки;

F _наг ‑ площадь поршня нагрузоч­ного гидроцилиндра;

скорость поршня (55)

где l ‑ путь поршня, когда автоматически включен секундометр;

Т ‑ время прохождения поршнем расстояния l;

полезная мощность гидропривода (56)

мощность гидропривода (57)

КПД гидропривода (58)

12. Результаты вычислений записать в табл. 8.

Т а б л и ц а 8.

Измеряемые параметры	Вычисляемые величины
Uдр	Uf	рнаг, Па	Мн, нм	nн, об/мин	Fц, н	pц, Мпа	Vц, м/с	N ц , кВт	Nн, кВт	ηгп
Последовательное включение дросселя
1.0	0.0
1.0	0.25
1.0	0.5
1.0	0.75
1.0	1.0
0.6	0.0
0.6	0.25
0.6	0.5
0.6	0.75
0.6	1.0
Параллельное включение дросселя
0.0	0.0
0.0	0.25
0.0	0.5
0.0	0.75
0.0	1.0
0.6	0.0
0.6	0.25
0.6	0.5
0.6	0.75
0.6	1.0

13. Построить по данным табл. 8 механические v = f (P) и энер­гетические η = f (P), N = f (P) характеристики гидропривода. Типич­ная форма характеристик для гидропривода поступательного дви­жения с дросселем, установленным на входе в гидроцилиндр, при­ведена на рис. 30.

Рис. 30. Типичная форма характеристик гидропривода с дроссельным регулированием при постоянном давлении насоса.

Основные контрольные вопросы

1. В чём заключается сущность дроссельного способа регулирова­ния скорости выходного звена гидропривода?

2. Что входит в состав гидропривода с дроссельным регулированием?

3. Для чего служат предохра­нительный и редукционный клапаны?

4. Что такое дроссель, чему равен расход через него?

5. Что такое регулятор потока и для чего он предназначен?

6. Для чего предназначен рас­пределитель непрерывного дей­ствия, его условное обозначе­ние на схемах, расход через него?

7. Как определить скорость выходного звена гидропривода с дроссельным регулированием при расположении дросселя по­следовательно и параллельно гидроцилиндру?

8. Назовите достоинства и недостатки гидропривода с дроссельным регулированием.

9. Что называют характеристикой гидропривода с дроссельным регулированием? Типичные формы характеристик.

10. Назовите и укажите на схеме установки основные её узлы и объясните их назначение.

11. Как определить нагрузку на поршень и его скорость при испытаниях?

12. Как определить полезную мощность, мощность и КПД гидропривода?

Библиографический список к работе 5:

8. Богомолов А.И., Михайлов К.А. Гидравлика: Учебник для гидротехнических специальностей вузов. -М.: Стройиздат, 1972, -648с.;

9. Кисилёв П.Г. Гидравлика. Основы механики жидкости: Учебное пособие для студентов гидротехнических специальностей вузов. -М.: Энергия, 1980, -360с.;

16. Данилов Ю.А., Кирилловский Ю.А., Колпаков Ю.Г. Аппаратура объёмных гидроприводов. -М.: Машиностроение, 1990, -272с.;

22. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. -М.: Энергоатомиздат, 1989, ‑352с.

Работа 6.